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Dokumentenidentifikation DE10305351A1 19.08.2004
Titel Verdichterschaufel mit Vertiefung auf radialer Außenfläche
Anmelder Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co KG, 15827 Dahlewitz, DE
Erfinder Opper, Hans Otto, Dipl.-Ing., 12307 Berlin, DE
Vertreter Hoefer & Partner, 81545 München
DE-Anmeldedatum 10.02.2003
DE-Aktenzeichen 10305351
Offenlegungstag 19.08.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 19.08.2004
IPC-Hauptklasse F04D 29/38
IPC-Nebenklasse F01D 5/14   F02K 3/06   F01D 5/20   
Zusammenfassung Die Erfindung bezieht sich auf eine Verdichterschaufel für ein Luftstrahltriebwerk mit einem radial äußeren Schaufelende 6, in welchem zumindest eine Vertiefung 9, 15, 16, 17, 18 vorgesehen ist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verdichterschaufel für ein Luftstrahltriebwerk bzw. eine Gasturbine, beispielsweise auf eine Verdichterschaufel (Fan Blade) für Verdichter von Fluggasturbinen.

Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, Verdichterschaufeln (Fan Blades) mit geschliffenen äußeren Schaufelenden zu versehen. Dabei wird die Kontur des Schaufelendes entsprechend der Innenfläche des Verdichtergehäuses (Fan Casing) angepasst.

Eine Verdichterschaufel der genannten Art zeigt beispielsweise das US-Patent 4,875,831.

Wie aus dem Stand der Technik bekannt, ist es erforderlich, zwischen den geschliffenen äußeren Enden der Verdichterschaufeln und dem Verdichtergehäuse einen definierten Spalt auszubilden, damit die Schaufelenden und das Gehäuse nicht in Kontakt kommen und aneinander reiben und hierdurch beschädigt werden können. Durch diesen Spalt fließt jedoch Luft von der Druckseite der Schaufel zur Saugseite der Schaufel. Hierdurch entstehen Wirkungsgradverluste des Verdichters. Weiterhin führt die Luftströmung zu unerwünschter Geräuschentwicklung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verdichterschaufel der eingangs genannten Art zu schaffen, welche beim einfachem Aufbau und einfacher, kostengünstiger Herstellbarkeit die Nachteile des Standes der Technik vermeidet und dabei insbesondere die Luftströmung durch den Spalt günstig beeinflusst.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombination des Hauptanspruchs gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass an der Verdichterschaufel an ihrem radial äußeren Schaufelende zumindest eine Vertiefung vorgesehen ist.

Erfindungsgemäß werden somit in die radiale Außenfläche der äußeren Schaufelenden eine oder, in bevorzugter Weiterbildung der Erfindung, mehrere Vertiefungen eingearbeitet.

Erfindungsgemäß können die Vertiefungen unterschiedliche geometrische Formen haben, beispielsweise kreisförmige, dreieckige, quadratische, sechseckige, ovale oder rechteckige.

Im Rahmen der Erfindung können die Vertiefungen entweder einreihig oder mehrreihig entlang des äußeren Schaufelendes zwischen der Vorderkante und der Hinterkante der Verdichterschaufel angeordnet sein. Es ist auch möglich, bei einer mehrreihigen Anordnung die einzelnen Vertiefungen zueinander zu versetzen.

Erfindungsgemäß ist es weiterhin möglich, die Anzahl, die Dimensionierung, den Abstand, die Tiefe und/oder die Ausrichtung der einzelnen Vertiefungen zu variieren. Hierdurch ist eine optimale Anpassung an die unterschiedlichsten Strömungsverhältnisse in unterschiedlich ausgebildeten Verdichtern möglich.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:

1 eine schematische Teil-Seitenansicht einer beispielhaften Verdichterschaufel nach dem Stand der Technik,

2 eine vergrößerte Darstellung der Detailansicht A, der in 1 gezeigten Verdichterschaufel,

3 eine stirnseitige Ansicht B, eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Ausgestaltung,

4 eine vergrößerte Darstellung des in 3 gezeigten Details D,

5 eine Schnittansicht längs der Linie E-E von 4 bzw. G-G von 7,

6 eine stirnseitige Ansicht C, analog 3, eines weiteren Ausführungsbeispiels in Blickrichtung C gemäß 2,

7 eine vergrößerte Detailansicht der Einzelheit F von 6,

8 eine vergrößerte Detailansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der Einzelheit H gemäß 6,

9 eine vergrößerte Detailansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels gemäß Einzelheit J von 6, und

10 eine vergrößerte Detailansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels in Darstellung der Einzelheit K von 6.

Die 1 zeigt in vereinfachter Darstellung eine beispielhafte Verdichterschaufel 1 gemäß dem Stand der Technik. Diese ist auf eine Verdichternabe 2 montiert und ist drehbar innerhalb eines Verdichtergehäuses 4 angeordnet. Die Triebwerksachse ist mit dem Bezugszeichen 3 dargestellt. Das Bezugszeichen 5 kennzeichnet einen Luftstrom durch die Verdichterstufe.

In 2 ist eine Vergrößerung des Endbereichs der in 1 gezeigten Verdichterschaufel 1 dargestellt, um insbesondere ein äußeres Schaufelende 6, eine Vorderkante 7 und eine Hinterkante 8 zu verdeutlichen.

Die 3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit ovalen Vertiefungen 9, welche in dem äußeren, geschliffenen Schaufelende 6 ausgebildet sind. Mit 10 ist eine Saugseite und mit 11 ist eine Druckseite der Verdichterschaufel 1 bezeichnet.

Die 4 zeigt die Einzelheit D gemäß 3. Dabei ist ersichtlich, dass Längen L1 sowie Breiten B1 der Vertiefungen 9 im Verlauf von der Vorderkante 7 zur Hinterkante 9 unterschiedlich sein können. Die Breite B1 sollte bevorzugter Weise so gewählt werden, dass eine Breite B3 und eine Breite B4 eine gewisse Restwandstärke der Verdichterschaufel 1 mit einer Breite B2 nicht unterschreiten. Bei den gezeigten Ausführungsbeispielen sollten B3 und B4 jeweils mind. 1 mm betragen.

Die 5 zeigt eine Seiten-Schnittansicht längs der Linie E-E von 4 bzw. G-G von 7. In 5 sind die ovalen Vertiefungen 9 der Verdichterschaufel 1 entsprechend im Schnitt dargestellt. Ein Rückfluss 12 bereits verdichteter Luft zwischen dem äußeren Schaufelende 6 der Verdichterschaufel 1 und dem Verdichtergehäuse 4 von der Druckseite 11 zur Saugseite 10 ist durch die Pfeile dargestellt.

Wie in 5 ersichtlich, bilden sich in den ovalen Vertiefungen 9 Verwirbelungen 13.

Die Tiefe T1 der ovalen Vertiefung 9 sollte bevorzugter Weise größer sein, als die Spaltbreite S1 zwischen dem Verdichtergehäuse 4 und dem äußeren Schaufelende 6. In bevorzugter Ausgestaltung dieses Ausführungsbeispiels beträgt das Verhältnis von T1 zu S1 mind. 3. Die Breite B1 sollte bevorzugter Weise größer sein, als die Tiefe T1. Das Verhältnis von B1 zu T1 sollte bevorzugter Weise etwa 2 betragen.

Die Richtung der ovalen Vertiefungen 9, welche sich durch einen Winkel W1 ergeben, ist bevorzugter Weise senkrecht zu einer Lauffläche 14 des Verdichtergehäuses 4 oder senkrecht zur Triebwerksachse 3.

In weiteren erfindungsgemäßen Varianten sind jedoch auch andere Winkel W1 möglich.

Die 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, analog der Darstellung der 3, bei welchem Vertiefungen 15 mit runder Ausgestaltung vorgesehen sind. Die einzelnen Durchmesser können über die Länge der Verdichterschaufel 1 variieren.

Die 7 zeigt eine Vergrößerung der Einzelheit F von 6. Dabei sind die runden Vertiefungen 15 mit ihren Hauptabmessungen dargestellt. Die Durchmesser D1 sind im Verlauf von der Vorderkante 7 zur Hinterkante 8 unterschiedlich. Der Durchmesser D1 sollte bevorzugter Weise so gewählt werden, dass die Breite B3 und die Breite B4 eine gewisse Restwandstärke nicht unterschreiten, die bei dieser Ausführungsform bevorzugter Weise mind. 1 mm beträgt.

Die Abstände L3 zwischen den runden Vertiefungen 15 können je nach Position auf der Verdichterschaufel 1 unterschiedlich sein.

Die 8 zeigt eine weitere Ausgestaltungsvariante gemäß der Einzelheit H von 6. Im Unterschied hierzu sind die Vertiefungen 16 zweireihig und jeweils oval ausgebildet. Die Vertiefungen sind zueinander versetzt angeordnet.

Die 9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel entsprechend der Einzelheit J von 6. Dabei sind ovale Vertiefungen 17 vorgesehen, welche nebeneinander angeordnet sind, senkrecht zur Saug- oder Druckseite. Die dabei etwas kleineren ovalen Vertiefungen 17 sind somit ungefähr um 90° gedreht, verglichen beispielsweise mit einer Anordnung analog B. Somit sind die Vertiefungen 17 fast senkrecht zur Saugseite 10 oder zur Druckseite 11 der Verdichterschaufel 1 angeordnet.

Die 10 zeigt eine weitere Ausgestaltungsvariante, bei welcher kleinere runde Vertiefungen 18 vorgesehen sind, welche zweireihig und zueinander versetzt angeordnet sind.

Im Rahmen der Erfindung können auch verschiedene andere geometrische Grundformen der Vertiefungen kombiniert werden, beispielsweise runde und ovale Vertiefungen.

Vorausgesetzt, die Größe der äußeren Schaufelenden ist ausreichend dimensioniert, können die erfindungsgemäßen Vertiefungen bei allen Arten von Verdichterschaufeln vorgesehen sein, auch bei Hochdruckverdichterschaufeln.

Erfindungsgemäß erschweren die Vertiefungen 9, 15, 16, 17, 18 den direkten Rückfluss 12 bereits verdichteter Luft von der Druckseite 11 zur Saugseite 10. Durch die Verwirbelungen 13 in den Vertiefungen 9, 15, 16, 17, 18 entsteht ein Dichtungseffekt, weiterhin ergibt sich eine Reduktion der Geschwindigkeit des Rückflusses 12.

Durch die oben beschriebenen Effekte ergeben sich bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Verdichterschaufeln geringere Strömungsverluste und damit ein geringerer Druckverlust. Weiterhin wird durch die niedrigeren Geschwindigkeiten des Rückflusses 12 weniger Geräusch bzw. Lärm erzeugt.

Ein weiterer Effekt besteht darin, dass das Gewicht der Verdichterschaufeln geringfügig sinkt, sodass insgesamt eine Gewichtsreduzierung bei dem Triebwerk erzielt werden kann.

Da erfindungsgemäß lediglich eine Anpassung der Verdichterschaufeln vorgesehen ist, nicht jedoch des Verdichtergehäuses, ist es auch möglich, bereits bestehende Triebwerke mit den erfindungsgemäßen Verdichterschaufeln nachzurüsten.

1 Niederdruckverdichterschaufel 2 Niederdruckverdichternabe 3 Triebwerksachse 4 Niederdruckverdichtergehäuse 5 Luftstrom 6 äußeres Schaufelende 7 Vorderkante 8 Hinterkante 9 ovale Vertiefung 10 Saugseite 11 Druckseite 12 Rückfluss 13 Verwirbelungen 14 Lauffläche 15 runde Vertiefung 16 runde Vertiefung 17 ovale Vertiefung 18 runde Vertiefung T1 Tiefe S1 Spaltbreite B1 Breite B2 Breite B3 Breite B4 Breite D1 Durchmesser L1 Länge L2 Länge W1 Winkel

Anspruch[de]
  1. Verdichterschaufel für ein Luftstrahltriebwerk mit einem radial äußeren Schaufelende (6), in welchem zumindest eine Vertiefung (9, 15, 16, 17, 18) vorgesehen ist.
  2. Verdichterschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Vertiefungen (9, 15, 16, 17, 18) vorgesehen sind.
  3. Verdichterschaufel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (9, 15, 16, 17, 18) einreihig angeordnet sind.
  4. Verdichterschaufel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (9, 15, 16, 17, 18) mehrreihig angeordnet sind.
  5. Verdichterschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe (T1) der Vertiefungen (9) größer ist, als die Breite (S1) eines Spalts zwischen dem äußeren Schaufelende (6) und dem Verdichtergehäuse (4).
  6. Verdichterschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite (B1) der Vertiefungen (9, 15, 16, 17, 18) größer ist, als deren Tiefe (T1).
Es folgen 10 Blatt Zeichnungen






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